Entendiendo la rigidez

1. Definición: ¿Qué es la rigidez?

Rigidez es una propiedad física fundamental que describe el grado en que un objeto o estructura resiste la deformación o la deflexión en respuesta a una fuerza aplicada. En el contexto de análisis de vibracionesLa rigidez (a menudo denotada por la letra 'k') es una de las tres propiedades clave, junto con la masa (m) y mojadura (c), que gobiernan el comportamiento vibracional de cualquier sistema mecánico.

Un componente con alta rigidez se deformará muy poco bajo una carga dada, mientras que uno con baja rigidez se deformará significativamente. Por ejemplo, una barra de acero gruesa y corta tiene alta rigidez, mientras que una banda de goma larga y delgada tiene muy baja rigidez.

2. El papel fundamental de la rigidez en la vibración

La rigidez de un sistema es un factor principal para determinar su frecuencias naturalesLa frecuencia natural es la frecuencia a la que oscilará un sistema si se le perturba y luego se le permite vibrar libremente. La relación se define mediante la fórmula básica:

Frecuencia natural (ωn) ≈ √(k / m)

Donde «k» es la rigidez y «m» la masa. Esta relación muestra que:

• Aumento de la rigidez voluntad aumentar la frecuencia natural.
• Disminución de la rigidez voluntad disminuir la frecuencia natural.
• Aumento de masa voluntad disminuir la frecuencia natural.

3. Rigidez y resonancia

Esta relación es de vital importancia debido al fenómeno de resonanciaLa resonancia se produce cuando una frecuencia de fuerza (como la velocidad de carrera de una máquina) coincide con una de las frecuencias naturales del sistema. Cuando esto sucede, la amplitud de la vibración se amplifica drásticamente, lo que a menudo provoca un desgaste prematuro y una falla catastrófica.

Por lo tanto, comprender la rigidez es esencial para diagnosticar y resolver problemas de resonancia:

• Diagnóstico del problema: Si una máquina está en resonancia, el analista sabe que la frecuencia de forzamiento está demasiado cerca de una frecuencia natural.
• Diseño de la solución: Para solucionar el problema, el analista debe modificar la frecuencia natural del sistema. Dado que suele ser difícil modificar la masa de una máquina o la frecuencia de forzamiento (su velocidad de funcionamiento), la solución más común es modificar la rigidez. Al añadir soportes, refuerzos o mejorar la cimentación de la máquina, se aumenta la rigidez del sistema. Esto eleva la frecuencia natural, alejándola de la frecuencia de forzamiento y eliminando la condición de resonancia. Función de respuesta de frecuencia (FRF) La medición se utiliza para confirmar el cambio en la frecuencia natural.

4. Diagnóstico de rigidez en maquinaria

Los cambios en la rigidez también pueden ser un indicador directo de una falla en desarrollo:

• Flojedad: Un perno de montaje suelto o una grieta en el bastidor o la cimentación de una máquina representan una pérdida significativa de rigidez local. Esto provocará un aumento de la amplitud de vibración de la máquina. Espectro FFT, la holgura mecánica a menudo genera una serie de armonía (1X, 2X, 3X, etc.) de la velocidad de carrera.
• Pie blando: Esta condición, donde el pie de una máquina no se asienta de manera plana sobre su base, crea un perfil de rigidez distorsionado y no lineal, lo que puede generar alta vibración y dificultar la alineación.
• Desgaste del cojinete: A medida que un rodamiento se desgasta, aumenta la holgura entre los elementos rodantes y las pistas. Esto puede interpretarse como una disminución de la rigidez general del sistema de soporte del rotor, lo que puede reducir las velocidades críticas del rotor.

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